一、研究背景與問(wèn)題

在能耗雙控和碳排放雙控的大環(huán)境下，對焦化生產(chǎn)提出了更高要求，智能制造成為焦化行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要手段。目前全國冶金焦焦化企業(yè)約290家，涉及冶金焦在產(chǎn)產(chǎn)能5.59億噸，焦爐機車(chē)智能化率不足10%。

焦爐生產(chǎn)具有作業(yè)環(huán)境惡劣、安全管控難、勞動(dòng)強度大的特點(diǎn)。為提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和保證安全生產(chǎn)，國內外相關(guān)企業(yè)均開(kāi)展了自動(dòng)化、智能化研究。國外日本、德國、韓國等國家頂裝式焦爐四大機車(chē)均實(shí)現了無(wú)人值守，國內部分新建頂裝式焦爐實(shí)現了以自動(dòng)化改造為主的有人值守、無(wú)人操作案例，而搗固式焦爐因工藝相對復雜，機車(chē)控制精度要求高，目前還沒(méi)有企業(yè)實(shí)現五大機車(chē)的無(wú)人化作業(yè)。

建龍西鋼140萬(wàn)噸焦化工序，配備 2*72 孔 5.5 米搗固式焦爐，配套的五大機車(chē)是核心設備。焦爐機車(chē)以人工操作為主，存在操作標準不統一、作業(yè)效率低、安全管控難度大的問(wèn)題。研發(fā)焦爐機車(chē)無(wú)人化系統能夠解決人工操作的弊端。

焦爐機車(chē)實(shí)現無(wú)人化作業(yè)的主要技術(shù)難題包括：機車(chē)定位控制、機車(chē)安全控制、控制系統的魯棒性以及機車(chē)的智能化調度四個(gè)方面。

1、機車(chē)智能化調度難題

（1）數據融合。焦爐生產(chǎn)過(guò)程是系統性的，五大機車(chē)需要相互協(xié)作，同時(shí)要與焦爐燃燒系統、除塵系統、熄焦系統、化產(chǎn)系統做好協(xié)同，才能高質(zhì)量的完成生產(chǎn)作業(yè)。這些系統的數據結構、數據屬性、通訊方式各有差異，難以實(shí)現統一管理、集中處理分析。

（2）協(xié)同控制。焦爐穩定生產(chǎn)需多工序有效銜接，如除塵、熄焦、搗固和化產(chǎn)冷卻等系統的整體聯(lián)動(dòng)，以及特殊情況下根據生產(chǎn)需要，機車(chē)存在跨爐區作業(yè)情況，需人工確認及操作機車(chē)定位等因素，需要調度系統在滿(mǎn)足焦爐正常生產(chǎn)前提下，實(shí)現異常工況的智能化調度。

2、機車(chē)防撞控制難題

（1）障礙物檢測。機車(chē)作業(yè)過(guò)程中障礙物檢測手段包括限位檢測、雷達檢測、紅外線(xiàn)檢測、視覺(jué)檢測等，焦爐機車(chē)作業(yè)現場(chǎng)存在雪、霧、蒸汽等惡劣環(huán)境，采用傳統檢測技術(shù)或單一檢測手段，造成障礙物的漏檢、誤檢情況，無(wú)法滿(mǎn)足機車(chē)自動(dòng)駕駛安全需求。

（2）安全控制。焦爐機車(chē)的安全防護要點(diǎn)是檢測準確、響應迅速，傳統的平臺分析，將視頻、雷達數據上傳平臺，平臺端分析，再將分析結果下發(fā)，機車(chē)端根據結果執行。這種架構效率低、響應慢，不能滿(mǎn)足焦爐機車(chē)無(wú)人駕駛安全防護需求。

3、機車(chē)定位精準控制難題

（1）定位檢測。目前行業(yè)中焦爐機車(chē)地址檢方式以格雷母線(xiàn)或光編碼牌為主，在現場(chǎng)實(shí)際應用中，機車(chē)地址檢測時(shí)，格雷母線(xiàn)受干擾影響較大，光編碼牌受煙、氣、霧影響較大。兩種檢測手段在焦爐作業(yè)現場(chǎng)單獨應用，受環(huán)境影響，會(huì )出現檢測出錯的情況，地址檢測出現異常，直接影響定位控制效果，以及后續作業(yè)安全性。

（2）定位控制。焦爐本體受季節溫度影響，發(fā)生爐體膨脹，主要反映在爐門(mén)彈簧發(fā)生形變，未及時(shí)調整可導致移門(mén)機構和取門(mén)臺車(chē)控制發(fā)生位置偏差，進(jìn)而損壞爐門(mén)和臺車(chē)本體機構，該難點(diǎn)在高寒及大溫差下的搗固式五大車(chē)焦爐尤為突出。爐門(mén)橫向膨脹偏差后，傳統定位控制方式不能實(shí)現閉環(huán)控制，難以保證機車(chē)爐門(mén)作業(yè)安全性。

4、控制系統高魯棒性難題

（1）數據通訊技術(shù)。焦爐機車(chē)屬大型特種移動(dòng)設備，常用的移動(dòng)設備網(wǎng)絡(luò )連接包括5G、wifi6、NB-IoT等方式，在工業(yè)場(chǎng)景應用尤其是大型機械設備上，受遮擋及環(huán)境因素影響，很難保證網(wǎng)絡(luò )連接可靠。

（2）容錯控制。目前行業(yè)中焦爐機車(chē)的自動(dòng)化控制基本成熟，在設備狀態(tài)、信號正常時(shí)，能夠進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，但在出現干擾信號、異常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)作業(yè)系統無(wú)法作業(yè)，控制系統投用率不高，需要向高魯棒性提升。

針對上述焦爐機車(chē)實(shí)現無(wú)人化的技術(shù)難題，開(kāi)展“基于5G、機器視覺(jué)、深度學(xué)習多技術(shù)融合的焦爐五大機車(chē)智能化技術(shù)研發(fā)與應用”研究。打造國內首套高寒地區搗固式焦爐機車(chē)無(wú)人駕駛系統，推動(dòng)冶金行業(yè)重型有軌機械設備無(wú)人化發(fā)展。

二、解決問(wèn)題思路與技術(shù)方案

1、總體思路

項目組對國內外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行探索，結合行業(yè)焦爐機車(chē)控制現狀，先后進(jìn)行五車(chē)聯(lián)鎖、機車(chē)自動(dòng)控制、機車(chē)自動(dòng)駕駛、機車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)研究。分完善基礎設施、搭建系統平臺、實(shí)現邊緣無(wú)人控制三方面推進(jìn)，實(shí)現焦爐機車(chē)無(wú)人化建設。

2、技術(shù)方案

針對焦爐機車(chē)無(wú)人化技術(shù)難題，分別對機車(chē)定位控制、安全控制、系統魯棒性、機車(chē)智能調度進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。對建龍西鋼5.5米搗固式焦爐五大機車(chē)實(shí)施無(wú)人化改造，首先進(jìn)行基礎設備完善，其次搭建平臺系統環(huán)境，最后完成機車(chē)邊緣無(wú)人控制，從而實(shí)現焦爐機車(chē)無(wú)人駕駛。

（1）基礎設備完善

項目建設首先對各機車(chē)的行駛軌道進(jìn)行平整度調整，保證軌道平整度滿(mǎn)足機車(chē)自動(dòng)行駛需求，機車(chē)走行對位平穩，不出現溜車(chē)、卡頓現象。其次，優(yōu)化機車(chē)單元自動(dòng)控制，實(shí)現五大機車(chē)各機車(chē)單元作業(yè)自動(dòng)化。包括取門(mén)機構的位置控制改造，使取關(guān)門(mén)控制達到毫米級精度控制效果，適應爐門(mén)膨脹變化帶來(lái)作業(yè)位置不同，進(jìn)行定制化作業(yè)。

（2）無(wú)人化平臺建設

搭建整個(gè)無(wú)人化系統的基礎環(huán)境，包括大數據平臺、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、中控平臺、機車(chē)地址檢測系統、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣控制系統、視覺(jué)設備、雷達設備等基礎內容。

（3）定位控制系統建設

采用編碼電纜+碼牌方式組成的機車(chē)定位系統，兩套檢測裝置相互驗證、冗余控制，保證地址檢測數據的可靠性。針對機車(chē)作業(yè)環(huán)境及工況影響定位控制精度的問(wèn)題，歷經(jīng)6個(gè)月跟車(chē)收集，將數據形成標準，完成包含載重狀態(tài)、環(huán)境、行駛狀態(tài)三個(gè)版塊的工況分析系統。

定位控制系統根據工況反饋以及地址反饋，對目標地址進(jìn)行模型預測閉環(huán)控制。在對位完成后，采用機器視覺(jué)掃描每個(gè)爐門(mén)對位中心點(diǎn)，分析機車(chē)實(shí)際與爐門(mén)的對位偏差，根據偏差自動(dòng)調整臺車(chē)及移門(mén)機構行程，同時(shí)配合原定位系統形成進(jìn)行自主計算和修正偏差的反饋調節，進(jìn)而保障對位的準確和安全。

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圖1 機車(chē)定位控制系統示意圖

（4）機車(chē)作業(yè)控制系統建設

采用5G+WiFi6冗余無(wú)線(xiàn)通訊模型，提高機車(chē)數據通訊的網(wǎng)絡(luò )安全、可靠。為保證機車(chē)間作業(yè)的聯(lián)鎖數據準確、有效，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )冗余的基礎上，建立平臺到機車(chē)與機車(chē)到機車(chē)的冗余數據通訊模式。在單網(wǎng)絡(luò )或通訊出現異常，機車(chē)間聯(lián)鎖數據也可以正常傳輸。保障機車(chē)間聯(lián)鎖信號的可靠性。

開(kāi)發(fā)多感知的機車(chē)狀態(tài)監測系統，在傳感器、限位、作業(yè)時(shí)長(cháng)、作業(yè)位置等數據異常時(shí)，能夠有效檢出。建立機車(chē)作業(yè)知識庫，結合工藝合規性，完善健全規則數據，當機車(chē)出現異常時(shí)，根據規則數據，結合機車(chē)狀態(tài)數據，進(jìn)行數據變化容忍度訓練。定義和濾除干擾項，持續優(yōu)化系統容錯能力，給出最優(yōu)控制指令。

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圖2 機車(chē)端通訊拓撲圖

（5）機車(chē)作業(yè)安全系統建設

首先采取物理隔離+視覺(jué)識別+雷達識別+電子圍欄的方式，實(shí)現機車(chē)作業(yè)范圍檢測全覆蓋。采用機器視覺(jué)、激光雷達數據融合方案，增大了感知的范圍和冗余度，同時(shí)避免了尺度、遮擋等問(wèn)題。實(shí)現了高寒地區惡劣環(huán)境下，焦爐機車(chē)障礙物的高效、精準檢測。

為提高安全防護響應速度，機車(chē)端采用邊緣計算、邊緣控制的架構。實(shí)時(shí)計算的視覺(jué)、雷達數據，結合機車(chē)地址、邊緣限位、機車(chē)行駛數據以及機車(chē)狀態(tài)數據，實(shí)現敏捷響應的多感知安全分析，根據分析結果向機車(chē)控制系統發(fā)出相應指令。

控制系統配備智能語(yǔ)音播報器，在對機車(chē)進(jìn)行邊緣控制的同時(shí)，對當前機車(chē)作業(yè)情況、安全防護情況進(jìn)行實(shí)時(shí)播報，使周邊作業(yè)的人員、車(chē)輛第一時(shí)間掌握當前機車(chē)作業(yè)流程及機車(chē)狀態(tài)，啟起到預警、提示作用。

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圖3 視覺(jué)防護效果圖

（6）機車(chē)智能調度系統建設

建設大數據平臺，包含機車(chē)作業(yè)反饋實(shí)時(shí)數據、焦爐工藝標準數據、焦爐歷史生產(chǎn)數據、作業(yè)及異常分析標準數據。大數據通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對五大機車(chē)及關(guān)聯(lián)系統數據進(jìn)行集中采集，采集完成后進(jìn)行有效過(guò)濾、多維分析、統一服務(wù)，保證數據應用的時(shí)效性和準確性。

建立五大機車(chē)與焦爐燃燒、除塵、熄焦、搗固、化產(chǎn)工序的協(xié)同管理系統，實(shí)現多工序間作業(yè)的高效銜接，提高煉整體作業(yè)效率。在特殊生產(chǎn)工況下，集中調度系統根據狀態(tài)選擇，自動(dòng)匹配機車(chē)對應爐區及對應聯(lián)鎖車(chē)輛，實(shí)現實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)穩定切換。

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圖4 無(wú)人值守監控界面

三、主要創(chuàng )新性成果

該項目是面向“高寒地區”及“大溫差” 環(huán)境的復雜工況，研發(fā)多技術(shù)融合的焦爐機車(chē)無(wú)人化控制系統。突破了焦爐機車(chē)高寒氣溫及工況變化自適應的定位控制難題，實(shí)現了邊緣控制的“敏捷響應”機車(chē)安全輔助駕駛功能以及基于機器學(xué)習的焦爐機車(chē)智能調度。打造國內首套高寒地區搗固式焦爐機車(chē)無(wú)人駕駛系統，為冶金行業(yè)有軌機械設備作業(yè)無(wú)人化發(fā)展做出重要貢獻。

1、工況及環(huán)境變化自適應的高精度機車(chē)定位控制系統

本項目研發(fā)了工況及環(huán)境變化自適應的高精度機車(chē)定位控制系統，解決了面向季節變化、惡劣氣候環(huán)境下的異常工況、極寒低溫和大溫差導致設備及爐體熱脹冷縮對控制精度的影響，實(shí)現了因機車(chē)、爐體工況變化自主調整機車(chē)運動(dòng)參數，達到了對位精度±2mm，一次對準率99%，二次對準率100%的定位控制水平。

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圖5 爐門(mén)雙目視覺(jué)定位效果圖

2、低延時(shí)的“高魯棒性”焦爐機車(chē)作業(yè)控制系統

本項目采用網(wǎng)絡(luò )、數據通訊雙冗余的方式，保障了機車(chē)間作業(yè)聯(lián)鎖協(xié)同的可靠性，實(shí)現在線(xiàn)數據通訊有效率100%。開(kāi)發(fā)了機車(chē)異常監測系統，有效識別機車(chē)異常狀態(tài)，使異常狀態(tài)檢出率達到100%。建立應對異常干擾的規則數據，結合異常狀態(tài)、實(shí)時(shí)數據反饋，進(jìn)行容錯控制。實(shí)現了機車(chē)無(wú)人駕駛系統穩定和性能的“高魯棒性”。

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圖6 機車(chē)通訊狀態(tài)可視化界面

3、邊緣控制的“敏捷響應”焦爐機車(chē)作業(yè)機車(chē)作業(yè)安全系統 ?

本項目采用邊緣控制+機器視覺(jué)+激光雷達+多感知安全控制+智能播報方式進(jìn)行融合，研發(fā)了邊緣控制的“敏捷響應”機車(chē)作業(yè)安全系統，以邊緣主機為高效計算基礎，用檢測全覆蓋的方式解決死角問(wèn)題，采用機器視覺(jué)+激光雷達數據融合的方式避免漏檢和誤檢，在多感知安全控制的同時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音預警、提示。

最終對機車(chē)形成無(wú)死角覆蓋、多維度識別的安全防護，安全防撞有效識別達到100%。邊緣計算效率大幅提升，響應時(shí)間小于200毫秒，實(shí)現焦爐機車(chē)作業(yè)安全的自主可控。

圖7 安全系統障礙物檢測效果圖

4、基于機器學(xué)習的焦爐機車(chē)機車(chē)智能調度系統

本項目采用“歷史數據+機器學(xué)習”的方式，開(kāi)發(fā)了基于機器學(xué)習的焦爐機車(chē)智能調度系統。系統分為五車(chē)聯(lián)鎖、計劃生成、目標修正、協(xié)同管理、跨爐切換等模塊，實(shí)現了焦爐生產(chǎn)異常狀態(tài)下的機車(chē)智能化調度。機車(chē)單爐作業(yè)時(shí)間由20min縮短至19min，較傳統機車(chē)聯(lián)鎖系統調度效率提升5%以上。

圖8?五車(chē)聯(lián)鎖可視化界面

四、應用情況與效果

焦爐五大機車(chē)無(wú)人化系統于2022年10月上線(xiàn)試運行，實(shí)現了搗固式焦爐機車(chē)無(wú)人駕駛。實(shí)施后，作業(yè)效率提升，焦炭、化產(chǎn)品、發(fā)電增產(chǎn)5%，創(chuàng )效共計年創(chuàng )效2566.5萬(wàn)元；人員優(yōu)化24人，年創(chuàng )效268萬(wàn)元；降低電耗、環(huán)保費用、備件消耗共計年創(chuàng )效 2269萬(wàn)元，綜合年創(chuàng )效5103萬(wàn)元。

1、崗位人員數量對比

改造前配置18人，改造后10人，實(shí)現單班優(yōu)化8人，三班優(yōu)化24人。

2、產(chǎn)量對比

改造后相比改造前，焦炭產(chǎn)量、副產(chǎn)品產(chǎn)量提升5%。

3、能耗對比

改造后相比改造前，機車(chē)電能消耗下降15%，發(fā)電量提升10%，煤氣回收提升2.9%。

4、生產(chǎn)效率

通過(guò)程序優(yōu)化，液壓系統預判提前啟動(dòng)單次操作節約3S，單次走行啟動(dòng)節約3S，摘關(guān)門(mén)一個(gè)周期節約30秒左右，裝煤一次節約60秒左右，改造后推焦車(chē)單爐出爐周期15分鐘，攔焦車(chē)出爐周期7分鐘，熄焦車(chē)出爐周期9分鐘，裝煤車(chē)出爐周期7.5分鐘，導煙車(chē)出爐周期8.5分鐘。

5、焦爐穩定性

建龍西鋼焦爐于2020年投產(chǎn)使用，2021年焦爐操作利用系數0.7，焦爐溫度均勻系數0.8，焦爐溫度安定系數0.75，采用無(wú)人化技術(shù)促進(jìn)操作標準提升，改善機械基礎設備，使焦爐生產(chǎn)穩定，改造后焦爐操作利用系數達0.9，焦爐溫度均勻系數達0.97，焦爐溫度安定系數達0.98。

信息來(lái)源：建龍西林鋼鐵有限公司、北京同創(chuàng )信通科技有限公